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王凱,賀利⽒電⼦技術(shù)(蘇州)有限公司 摘要 陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度是金屬化陶瓷基板的一項(xiàng)重要性能,因?yàn)樗谘b配過程中影響到基板的可靠性和強(qiáng)度。彎曲強(qiáng)度通常表征為陶瓷對拉伸強(qiáng)度的阻力。這取決于陶瓷材料和材料中宏觀缺陷的類型、分布以及測量、評估方法。 1定義 較薄的陶瓷基板(厚度0.25~0.63mm)的抗彎強(qiáng)度測量尚無通用指南。目前測量一般基于標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 843-1:2008-08進(jìn)行,該標(biāo)準(zhǔn)描述了樣品的最小厚度為2.0±0.2mm,目前賀利氏公司也是基于這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗彎強(qiáng)度的測試,且使用三點(diǎn)彎曲法基于40 x 20 mm的試樣尺寸進(jìn)行測試。 2測量 2.1 Weibull分布 Weibull提出的基于最薄弱環(huán)節(jié)失效概念的理論,可以很好地描述陶瓷材料強(qiáng)度的分布特征。其中提到,失效行為是由單一的“缺陷類型”(結(jié)構(gòu)不均勻性)決定的。為了描述強(qiáng)度特征,Weibull選擇了一種特殊形式的極值分布,即后來以他的名字命名的Weibull分布。 如果分布參數(shù)已知,則載荷與斷裂概率之間有明確的關(guān)系。材料強(qiáng)度的測量值以失效概率為63.2%(Sigma 0)的強(qiáng)度作為標(biāo)記,Weibull模量m是強(qiáng)度變化的度量。Weibull模量越高,材料越均勻(即“缺陷”在整個數(shù)據(jù)上分布得越均勻),強(qiáng)度變化的分布曲線越窄。Weibull模量的值m通常可以達(dá)到10~20之間。 測量值的分布是陶瓷在失效時呈現(xiàn)的結(jié)果,用Weibull分布來描述。 • B= 斷裂概率 • σ= 外應(yīng)力 • V= 測試元件體積 • V0= 參考體積 • σ0= 參考張力 • m= Weibull模量 B表示體積V的一個元件在σ載荷作用下斷裂的概率。Weibull模量m描述了分布的寬度。彎曲強(qiáng)度為Weibull分布在σ0(Sigma 0)時的值,見圖1(典型Weibull分布)。 圖1: 典型Weibull分布 2.2 測量方法 測量陶瓷抗彎強(qiáng)度有多種方法,包括三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試、四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試和雙環(huán)抗彎強(qiáng)度測試,他們的測試方法和計(jì)算公式不同,這里只介紹最常用的三點(diǎn)和四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試。 2.2.1三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試 三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測試是根據(jù)DIN EN 843-12008-08,但由于賀利氏使用的陶瓷較薄,因此樣品尺寸通常小于2.0mm。 圖2是簡單的測試模型,兩個支撐柱支撐測試樣品,一個力加載器從頂部施加到測試樣品中心的壓力。 圖2: 三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試 用于三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試設(shè)備可以有所不同, 但均需滿足如下條件: • 陶瓷邊緣激光切割于陶瓷頂面 • L1+L2: 30 mm • 測試速度: 10 mm/min • 預(yù)加載力: 0.5 N • 至預(yù)加載力前的測試速度: 5 mm/min • 支撐柱直徑: 1.6 mm 測試至陶瓷破裂,記錄陶瓷破裂時的加載力,試件的抗彎強(qiáng)度可按下式計(jì)算(圖3) 圖3: 三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式 2.2.2 四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度 四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度通常在日本使用,這種測試方式要求2個力加載器同時從試樣上表面施加壓力,計(jì)算公式如下圖4. 圖4: 四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式 3抗彎強(qiáng)度的影響因素 3.1 測試方法 試樣體積越大,測得的強(qiáng)度值越低,材料失效的概率越大。因此,由于一般四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試試樣大于三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試試樣,所以四點(diǎn)抗彎測試的強(qiáng)度值總是低于三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試,見圖5。 圖5: 三點(diǎn)、四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果對比 3.2激光切割方向 在三點(diǎn)和四點(diǎn)彎曲測試中,試樣的制備,特別是試樣邊緣的制備是一個重要的問題。 圖6為上、下兩個側(cè)面切割的測試樣品,測試結(jié)果顯示,激光切割方向?qū)箯潖?qiáng)度測試影響較大,每個激光點(diǎn)都會像錐形槽一樣,明顯降低抗彎強(qiáng)度,見圖6、7。 為了避免激光切割對彎曲強(qiáng)度測試的影響,賀利氏公司通常使用激光從頂部進(jìn)行測試。 圖6:頂部、底部激光切割示意圖 圖7: 激光從頂部、底部切割對陶瓷抗彎強(qiáng)度測試的影響 3.3激光種類 從激光切割的對比結(jié)果中,我們了解到激光切割在陶瓷表面所形成的激光點(diǎn)也可以對測試結(jié)果起到關(guān)鍵作用,不同的激光切割技術(shù)種類可以得到完全不同的激光點(diǎn)形狀。 一般來說,激光種類對抗彎強(qiáng)度的影響遵循以下規(guī)律: CO2激光<光纖激光器 3.4陶瓷厚度 如前文所述,標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 843-1:2008-08只描述了2.0±0.2mm的試樣,因?yàn)樘沾稍奖?其韌性受到的沖擊越大,通過其柔性變形可以承受更大的載荷力,圖8是0.38mm Al2O3和0.63mm Al2O3在相同測試條件下的彎曲強(qiáng)度測試,越薄的陶瓷表現(xiàn)出相對較高的強(qiáng)度。 圖8: 0.38mm 和 0.63mm Al2O3陶瓷抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果對比 4賀利氏的抗彎強(qiáng)度測試 4.1 賀利氏陶瓷抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) 作為陶瓷覆銅基板的全球領(lǐng)先供應(yīng)商,賀利氏所使用的陶瓷均來自行業(yè)領(lǐng)先的陶瓷生產(chǎn)商,其抗彎強(qiáng)度均可達(dá)到較高的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),賀利氏使用的陶瓷抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如下: 表1: 賀利氏所使用陶瓷抗彎強(qiáng)度值 圖9: 賀利氏所使用的陶瓷抗彎強(qiáng)度 4.2 陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度定義 由于陶瓷覆銅基板的陶瓷兩側(cè)都附著有較厚的銅層,因此陶瓷覆銅基板不是一種均一的材料,再加上每個陶瓷覆銅基板上不同的銅厚度和銅布局設(shè)計(jì),沒有一個通用的方法來定義陶瓷覆銅基板的通用抗彎強(qiáng)度。 作為復(fù)合材料,由于銅的增強(qiáng)作用,陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果通常高于裸陶瓷,我們采用普通的Al2O3-DBC材料進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測試,并與裸陶瓷的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對比,結(jié)果如圖10、11所示。 圖10: 陶瓷覆銅基板和陶瓷的抗彎強(qiáng)度測試對比 圖11: 陶瓷覆銅基板和陶瓷的抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果 對于某些客戶,由于特殊的應(yīng)用或封裝要求,確實(shí)需要定義陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度,在這里賀利氏可以根據(jù)以下程序定義陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度。 a)生產(chǎn)3批樣品,每批抽取50件樣品 b)對這3× 50 = 150件樣品進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測試 c)進(jìn)行Cpk分析(Cpk>2.0),定義最小抗彎強(qiáng)度值(LSL)。 您可能注意到我們沒有使用Weibull分析來定義MCS的抗彎強(qiáng)度,這是因?yàn)榭蛻粜枰x一個抗彎強(qiáng)度的最小值,這樣可以在功率模塊機(jī)械設(shè)計(jì)時帶來足夠的信心。如果客戶需要,我們也可以按照Weibull分布的Sigma0值進(jìn)行陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度定義。 5.結(jié)論 抗彎強(qiáng)度是陶瓷材料的一項(xiàng)關(guān)鍵物理性能,它主要受陶瓷材料特性的影響。通過以上系列評價,得出陶瓷的抗彎強(qiáng)度與陶瓷類型、激光類型、激光方向、陶瓷厚度和測量方法有關(guān)。對于陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度,很難預(yù)測,唯一的識別方法是通過收集實(shí)際樣品的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)并進(jìn)行Weibull分析或Cpk分析來確定。 引用文獻(xiàn): 1) 維基百科: 抗彎強(qiáng)度 2) 維基百科: Weibull分布 3) 賀利氏內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù). |
